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FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
ESTUDIOS GEOMECANICOS EN LA LA ELECCION DE METODOS DE EXPLOTACION SUBTERRANEA
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El crecimiento y el desarrollo se originan en los conocimientos. Dejamos de crecer en el momento que pensamos que somos realmente importantes, cuando pensamos que ya sabemos algo. Con ello se acaba el desarrollo, al igual que el crecimiento. El crecimiento y el desarrollo son la consecuencia de comportarse con humildad y de esforzarse al máximo.
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INTRODUCCIÓN Los factores que tienen un mayor peso en la primera etapa de selección son la geometría, la distribución de leyes de depósito, las propiedades y características geomecanicas del mineral y estéril adyacente. Mediante el análisis de esos factores se obtendrá una primera clasificación y ordenación de los métodos de explotación para su aplicación más adecuada desde una perspectiva netamente técnica. En el presente trabajo analizamos los
estudios geomecanicos, la clasificacion
geomecanica para la eleccion de metodos de explotacion subterranea
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ÍNDICE CARATULA DEDICATORIA INTRODUCCIÓN ÍNDICE
CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE ROCAS Propiedades geomecánicas del mineral y de la roca encajonante Selección del método.
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Estudios de mecánica de rocas. Métodos de clasificación geo mecánica RQD - DEERE (1967) RMR - BIENIAWSKI (1989)
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MRMR - LAUBSCHER (2000)
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Q - BARTON (1974)
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GSI - HOEK (1994)
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Consideraciones finales
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Características Geomecánicas del Yacimiento
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Fuentes de información
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CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA DE ROCAS
1.1 PROPIEDADES GEOMECÁNICAS DEL MINERAL Y DE LA ROCA ENCAJONANTE Cuando se abre un hueco en la corteza terrestre se produce un desequilibrio en la misma. Al extraer una parte del macizo rocoso, característica de toda labor minera, se produce inevitablemente la eliminación del soporte de la masa rocosa restante, lo que da lugar a una alteración en las condiciones de equilibrio. En el sentido más amplio, se puede considerar que: al aumentar el tamaño del hueco se produce inevitablemente el derrumbe por hundimiento de la masa rocosa que lo rodea. Este fenómeno puede ser una propiedad deseable para la aplicación de ciertos métodos. En otros casos hay que tomar las medidas necesarias para proporcionar un soporte adecuado al macizo rocoso para su estabilidad.
1.1.1 Selección del método. Se indican en este apartado los datos necesarios para seleccionar un método apropiado de explotación subterránea y las fases que conviene seguir en esa selección. En realidad es un proceso iterativo que sigue durante toda la vida del yacimiento.. Se parte del hecho de que el criadero está bien definido, con reservas suficientes para empezar su laboreo, pero que aún no se ha realizado ninguna labor minera. Los parámetros que deben considerarse en primer lugar son :
Geometría del yacimiento..
Distribución de la ley.
Resistencia de la masa mineral y de los macizos rocosos del techo y muro.
Costos de laboreo e inversiones de capital precisos.
Productividad óptima.
Tipo y posibilidades de mano de obra.
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Consideraciones ambiéntales.
Otras consideraciones locales.
Para seleccionar un método y comenzar su anteproyecto es preciso disponer de planos y cortes geológicos, de un modelo de distribución de leyes del yacimiento, y conocer las características mecánicas de las rocas del mismo, muro y techo. Muchos de estos datos se obtienen de testigos de sondeos. La interpretación geológica básica es importantísima en cualquier evaluación minera. En los mapas y secciones geológicas se indicarán los principales tipos de rocas, zonas alteradas, estructuras principales, tales como fallas, estratos, ejes de pliegues, etc. Pueden también indicarse las zonas de trastornos en mapas transparentes, que puedan superponerse sobre los geológicos
1.1.2 Estudios de mecánica de rocas. Los estudios de mecánica de rocas necesarios para elegir el método de explotación
más
adecuado
para
un
yacimiento
mineral,
son
prácticamente iguales a los que deben realizarse para proyectar la mina. Estos estudios serán descritos con toda la extensión necesaria en sucesivos capítulo de este trabajo, por lo que no se estima necesario detallarlos aquí. No obstante, parece convenient mencionar que, como se expondrá más adelante , los estudios geotécnicos deben realizarse en varias fases. La primera fase corresponde precisamente al estudio de viabilidad, que es cuando se decide el método de explotación más adecuado para la mina , si bien, en algunos casos, no es posible llegar a seleccionar un único método de explotación y son dos los que pasan a- ser estudiados en la fase de proyecto. En la primera fase del estudio geotécnico, el número de datos de que se dispone no es, normalmente, muy grande, por lo que puede ser necesario suplir la falta de información con la experiencia. De ahí el criterio de que en esta fase intervengan ingenieros con mucha práctica en el tema.
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1.2 METODOS DE CLASIFICACION GEOMECANICA La geomecánica es una disciplina que estudia la respuesta del macizo rocoso a situaciones externas teniendo como base la geología de dicho macizo Debido a la complejidad que presentan los macizos rocosos, diversos autores han intentado establecer sistemas de clasificación del mismo. Muchos de estos métodos han sido mejorados subsecuentemente, sin embargo la mayoría de estos se basa en observaciones cualitativas y por ello se hace muy importante una interpretación correcta, y experta, de las observaciones en terreno. Se presenta a continuación una revisión de los más importantes para minería a cielo abierto: RQD, RMR, MRMR, GSI y SMR.
1.2.1 RQD - Deere (1967) El índice RQD (Rock Quality Designation) se define como el porcentaje de recuperación de testigos de más de 10 cm de longitud en su eje, sin tener en cuenta las roturas frescas del proceso de perforación respecto de la longitud total del sondeo. Para determinar el RQD en el campo o zona de estudio de una operación minera, existen tres procedimientos de cálculo.
A partir de sondajes: se calcula midiendo y sumando el largo de todos los trozos del testigo mayor que 10 cm en el intervalo de testigo de 1.5 m. a partir de los testigos obtenidos en la exploración. Se recomienda utilizar un diámetro de perforación de al menos 54,7 mm.
A partir del mapeo de celdas geotécnicas: comprende el calculo del RQD en función del número de fisuras por metro, determinadas al realizar el levantamiento litológico-estructural (detail line) en el área o zona predeterminada de la operación minera.
Tercer procedimiento: se hace el cálculo del RQD en función del número de fisuras por metro cubico (J v), determinadas al realizar el levantamiento litológico-estructural en el área o zona predeterminada de la operación minera. Esto se usa para voladura y queda establecido de acuerdo a la relación entre RQD y J v.
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TABLA N CLASIFICACION RQD
1.2.2 RMR - Bieniawski (1989) Bieniawski (1976) publico una clasificación del macizo rocoso denominada Clasificación Geomecanica o Sistema Rock Mass Rating (RMR). Posteriormente este sistema ha sido mejorado hasta llegar a la versión de clasificación de Bieniawski (1989). Los siguientes 6 parámetros son utilizados para clasificar un macizo rocoso usando el sistema RMR de Bieniawski (1989): 1. Resistencia a la compresión uniaxial.
Determinada en laboratorio y ensayos de carga puntual en terreno.
2. Valor del RQD.
Se asigna desde puntaje de 20 si este indice es mayor a 90% hasta 3 si es menor a 25%.
3. Espaciamiento de discontinuidades.
Se asume que la roca tiene 3 conjuntos de fracturas y se utiliza el sistema más relevante.
4. Condición de discontinuidades.
Descripción de “aspereza” de la superficie y del material de
relleno. Se usa el más liso y desfavorable. 5. Aguas subterráneas.
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De acuerdo al flujo de agua en excavación subterránea (si está disponible) o la presión de agua en discontinuidades. Se puede usar también el testigo.
6. Orientación de discontinuidades.
Determinada mediante cámaras en sondajes y/o mapeo de piques. La clasificación final por este metodo se realiza en intervalos de 20 puntos comenzado por 100 y hasta llegar a 0. Es decir son generalmente usados 5 intervalos, los que también pueden ser denominados con números romanos del I al V en calidad ascendente, para clasificar el macizo rocoso.
TABLA 1:CLASIFICACION SEGÚN RMR
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1.2.3 MRMR - Laubscher (2000) Laubscher desarrollo un sistema de clasificación basado en el RMR de Bieniwaski (de ahí el nombre de MRMR, Modified Rock Mass Rating) que categorizaba desde 0 (muy mala) a 100 (muy buena), El método cambia la valoración de algunos parametros y altera la determinación del espaciamiento de las discontinuidades con respecto a su predecesor. Además considera los esfuerzos in situ e inducidos y los efectos en el macizo producto de la tronadura y su alteración por exposición de la roca fresca al ambiente. Cabe destacar que las modificaciones fueron hechas inicialmente para condiciones en minas de Block Caving.
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1.2.4 Q - Barton (1974) Barton (1974) del Norwegian Geotechnical Institute, definió el Índice de Calidad de Túneles (Q) para la caracterización geotécnica del macizo rocoso y para la determinación del sostenimiento requerido para túneles. Los valores numéricos del Índice Q varían en escala logarítmica desde 0,001 hasta 1.000, y se obtienen a través de parámetros que se relacionan a través de la siguiente ecuación:
Donde, RQD : Indice de calidad de roca. Jn: Numero de sistemas de discontinuidades (Joint Set Number). Jr: Numero de rugosidad de discontinuidades (Joint Roughness Number). Ja: Numero de alteracion de las discontinuidades (Joint Alteration Number). Jw: Factor de reduccion por agua (Joint Water Reduction Factor). SRF: Factor de reducción por esfuerzos (Stress Reduction Factor). Para explicar el significado de los parámetros usados para determinar el valor de Q, Barton propone que el primer cociente (RQD/Jn), representa la estructura del macizo rocoso, como una medida rudimentaria del tamaño de los bloques o de las partículas. El segundo cociente (Jr/Ja), representa la rugosidad y las características de fricción de las paredes de las discontinuidades o de los materiales de relleno. El tercer cociente (Jw/SRF) consiste de 2 parámetros de esfuerzos. El SRF es una medida de: 1) la pérdida de carga en el caso en una excavación a través de una zona de falla y de roca con altos contenidos de arcillas; 2) los esfuerzos en roca competente.
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3) las cargas compresivas en rocas plásticas no competentes. El SRF puede ser considerado como un parámetro que considera una corrección por esfuerzos efectivos. El parámetro Jw es una medida de la presión del agua, la que tiene un efecto adverso sobre la resistencia al corte de las discontinuidades debido a la reducción del esfuerzo normal. De esta forma, el Índice de Calidad de roca en túneles (Q), puede ser considerado en función de 3 parámetros, los que son una medidas aproximadas de:
Tamaño del bloque (RQD/Jn)
Resistencia al esfuerzo al corte entre bloques (Jr/Ja)
Esfuerzos activos (Jw/SRF)
Tabla índice Q de barton
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1.2.5 GSI - Hoek (1994) El sistema Indice Geologico de Resistencia (GSI, Geological Strength Index) y su uso en el criterio de falla de Hoek-Brown ha sido presentado en diversos artículos por Hoek (1994), Hoek et al. (1995) y Hoek-Brown (1997), asociado a macizos de roca dura y equivalente al sistema RMR. A partir de 1998 a la fecha se ha desarrollado el sistema GSI con el objetivo de incluir macizos rocosos de mala calidad (Hoek et al., 1998; Marinos y Hoek, 2000 y 2001). El GSI proporciona un sistema para estimar la disminución de la resistencia que presentaría un macizo rocoso con diferentes condiciones geológicas y se obtiene de la combinación de 2 parámetros geológicos fundamentales, la estructura del macizo rocoso y la condición de las discontinuidades. En la práctica, es usual definir el GSI en rangos de • +/- 15 puntos. La clasificación se hace según el siguiente criterio:
TABLA CLASIFICACIO SEGÚN GSI
Además es posible establecer una relación del GSI con el caso del RMR de 1989, la que ha sido establecida de manera empírica. Si el rating de la condición de aguas es de 15 y el de la orientación de discontinuidades es de 0, se puede observar, siempre de forma aproximada, que se cumple la siguiente igualdad:
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TABLA Determinación del GSI de Hoek (Hoek y Marinos,2000). TABLA Determinación del GSI de Hoek (Hoek y Marinos,2000)
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1.3 CONSIDERACIONES FINALES De acuerdo a la revisión de los diferentes métodos de clasificación del macizo rocoso, podemos extraer las siguientes consideraciones:
El RQD es un parámetro direccional del grado de fractura miento de un testigo de roca, por lo tanto no debe ser considerado como una clasificación del macizo, sino como un valor necesario para determinar la clasificación en cualquiera de los cinco métodos siguientes propuestos. Dado que la presente clasificación se realizara de acuerdo a los testigos de roca recuperados por una campana de sondajes.
El MRMR fue específicamente diseñado para establecer las condiciones de soporte en excavaciones subterráneas, por lo que entra en cierta ambigüedad cuando se trata de bancos superficiales. Además para macizos de calidad
pobre (MRMR <40) la clasificación puede ser altamente
influenciada por el espaciamiento de las discontinuidades y la condicion de aguas debido a la alta importancia que tienen estos parametros en su determinación.
El Q de Barton fue principalmente diseñado con motivo de entregar una recomendación en la construcción de túneles en obras civiles, y su aplicación en minería a cielo abierto es muy reducida. No considera además el espaciamiento de las discontinuidades ni el UCS de la roca intacta en forma directa, solo lo hace a través del RQD.
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1.4 CARACTERISTICAS GEOMECANICAS DEL YACIMIENTO
El comportamiento geotécnico de los diferentes materiales depende básicamente de la resistencia de la roca, el grado de fracturación del macizo rocoso y la resistencia delas discontinuidades. Existen sistemas de clasificación geomecanica muy completos, pero los parámetros indicados anteriormente son suficientes para una primera aproximación al comportamiento de los macizos rocosos. La resistencia
de la roca es la relación
entre la resistencia de la roca a la comprensión simple y la presión ejercida por el peso del recubrimiento sobre esta, la que pueda calcularse a partir de la profundidad y la densidad de la roca. El espaciamiento entre fracturas por metro o por el RQD (`rock quality designation `) EL RQD es el porcentaje de trozos de testigos con una longitud superior a 10 cm por metro de longitud del taladro. Cuando se abre un hueco en la corteza terrestre se alteran las condiciones de equilibrio. En un sentido amplio, se puede considerar que el aumentar el tamaño del hueco se produce inevitablemente el derrumbe por hundimiento de la masa rocosa que lo rodea. Este hecho puede ser una propiedad destacable para la aplicación de ciertos métodos. La posibilidad de aplicación de los distintos métodos de explotación depende fundamentalmente del grado en el que el mineral y las rocas de las cajas vayan a resistir sin apoyo, y de la posibilidad de que los métodos hagan frente al sostenimiento final de los huecos excavados. La moderna ciencia de la mecánica de rocas estudia los factores que relacionan los fenómenos de presión en el interior de las mismas con los requisitos que deben cumplir el sistema de sostenimiento. Esta disciplina no se ha desarrollado aun lo suficientemente como para resolver de forma exacta este problema a encontrar los métodos mejor adoptados a sus co ndiciones. La resistencia del mineral, del macizo rocoso y de las cajas son características físicas importantes para seleccionar el sistema de arranque y para dimensionar las labores. De igual modo para determinar el tiempo que los huecos abiertos permanecerán estables sin necesidad adicional de sostenimiento. Sin embargo, el termino resistencia es un concepto complejo que no responde a una medida absoluta ya que se refiere no solo la resistencia y característica de la masa rocosa intacta en sí misma, sino también al efecto de Las fracturas, juntas y planos de debilidad de la masa en su disposición geométrica y espaciado, así como su comportamiento en el tiempo, una masa rocosa
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puede ser resistencia de la roca in-situ cambia con la dirección y la posición. Cerca de planos de falla el terreno puede ser muy débil, mientras que es resistente a alguna distancia, las características geomecánicas se resumen en el cuadro. Los componentes químicos del mineral y de la roca encajonante pueden influir en las características resistentes de los mismos. Al exponer la roca a la acción del aire y de los agentes atmosféricos, esta sufre una serie de cambios físicos y químicos que hacen variar sus propiedades convirtiéndolas en roca meteorizada.
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PROCEDIMIENTO NUMERICO DE SELECCION
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FUENTES DE INFORMACIÓN
OSCAR E. LLANQUE M.Explotacion subterránea. 1ra Edición. Perú Offset Editores, 256 Pág. P. RAMÍREZ OYANGÜREN L. DE LA CUADRA IRIZAR. ¨ Mecánica de Rocas Aplicada a la minería metálica subterránea¨. Instituto Geológico Minero de España. Madrid, España, 362 pág.
